旁通閥液力反饋抽油泵研究及應(yīng)用

(中國(guó)石油遼河油田分公司 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)

遼河油田的稠油井開發(fā)后期，油層埋藏深、井況復(fù)雜、舉升難度大、檢泵頻次高、系統(tǒng)效率低。采用有桿泵舉升，一方面由于稠油的黏度高、流動(dòng)阻力大，使泵效較低；另一方面，管桿偏磨問題嚴(yán)重，桿柱斷脫是油井倒井的主要原因?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和理論模擬表明，桿柱受力是井眼軌跡、流體性質(zhì)、工作參數(shù)等因素綜合作用的結(jié)果。在直井中，桿柱上行程時(shí)，桿柱處于受拉應(yīng)力狀態(tài)；下沖程時(shí)，抽油桿中和點(diǎn)之上是受拉狀態(tài)，之下處于受壓狀態(tài)，呈正弦屈曲或螺旋屈曲狀態(tài)[1-4]。在定向井或大斜度井中，需要根據(jù)三維井眼軌跡進(jìn)行受力分析和計(jì)算。對(duì)于稠油井，泵充滿程度主要取決于工作參數(shù)和流體黏度，需要設(shè)計(jì)相匹配的抽油泵。針對(duì)這些問題，研制了旁通閥液力反饋抽油泵。

1 工作原理

旁通閥液力反饋泵設(shè)計(jì)原理如圖1所示。上沖程時(shí)，抽油桿帶動(dòng)上、下柱塞一起上行，出油閥組關(guān)閉，泵腔體積增大，壓力下降，旁通固定閥開啟，井液在沉沒壓力作用下進(jìn)入環(huán)形泵腔，完成進(jìn)液過程。下行程時(shí)，上泵和下泵的環(huán)形泵腔體積減小，壓力升高，旁通固定閥在自重和彈簧力的作用下關(guān)閉，出油閥開啟，完成排液過程。此時(shí)，泵外壓力低，管柱內(nèi)液體載荷作用在下柱塞截面上，形成向下的液壓反饋力，幫助桿柱下行。

a 上沖程 b 下沖程

2 結(jié)構(gòu)組成

在采油生產(chǎn)過程中，通過進(jìn)、出油閥的交替關(guān)閉，使得泵上液柱壓力產(chǎn)生液壓反饋力，增大泵下行力，進(jìn)而克服下行阻力[5-8]。該種方式應(yīng)用的是液力反饋原理。本文所述旁通閥液力反饋泵采用旁通進(jìn)油閥，如圖2所示，泵閥采用彈簧復(fù)位球閥，柱塞兩端設(shè)計(jì)防砂結(jié)構(gòu)，異徑泵筒采用上下2個(gè)內(nèi)徑不同的常規(guī)泵筒，通過中間接箍連接而成，泵筒兩端帶有上下2個(gè)接頭和護(hù)帽。

旁通閥液力反饋泵通過損失排量而增加柱塞下行力。采用式(1)進(jìn)行理論排量計(jì)算。

(1)

式中：Q為理論排量，m3/d；Du為上柱塞直徑，m；Dd為下柱塞直徑，m；S為沖程，m；N為沖次，min-1。

反饋力的大小與油套管的壓差成正比,只要油井動(dòng)液面深度一定，反饋力的大小是一定的。反饋力的大小采用式(2)計(jì)算。

(2)

式中：F為液壓反饋力，N；H為動(dòng)液面深度，m；p為井口壓力，Pa。

1—泵筒上接箍；2—上泵筒；3—中間接箍；4—下泵筒；5—泵筒下接頭。

3 技術(shù)特點(diǎn)及適應(yīng)范圍

1) 旁通閥液力反饋泵進(jìn)油閥的流道短、通徑大，吸入性能好，阻力小，提高了抽油泵的充滿程度和效率。

2) 復(fù)位彈簧具有扶正作用，克服了斜井、水平井導(dǎo)致的閥球關(guān)閉滯后和閥球偏落的問題。

3) 上柱塞采用螺旋刮砂結(jié)構(gòu)，可防止砂卡，延長(zhǎng)油井檢泵周期。

4) 泵筒底部連通，油管內(nèi)液體可泄入井內(nèi)，井下不用泄油器；可不動(dòng)管柱進(jìn)行熱采、正反洗井、沖砂、壓井、測(cè)試等作業(yè)。

泵規(guī)格參數(shù)如表1所示，能夠適應(yīng)以下井況：

1) 適用泵掛位置井斜小于65°的斜井、水平井。

2) 適用于原油黏度小于6 000 mPa·s的稠油熱采井。

3) 適用于下行阻力大，偏磨嚴(yán)重的油井。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

研制的旁通閥液力反饋抽油泵在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用130余井次，取得了較好效果。以曙2-6-33井為例，該井為1口大斜度井，正常檢泵周期4個(gè)月。2015-05，桿柱斷脫檢泵，進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[9-10]，設(shè)計(jì)桿柱組合為?25.4 mm(1in)×600 m+?22.2 mm(in)×824 m+?19.1 mm(in)×1 600 m。根據(jù)桿柱受力計(jì)算(如圖3)，該井中和點(diǎn)在2 570 m，中和點(diǎn)以下井段下沖程時(shí)存在屈曲應(yīng)力。采用液力反饋泵，可為桿柱下行提供動(dòng)力，避免下行程中桿柱彎曲，同時(shí)提高泵充滿程度。

表1 旁通閥液力反饋泵規(guī)格參數(shù)

圖3 桿柱軸向受力計(jì)算

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，該井的生產(chǎn)情況如圖4所示，油井免修期由不到6個(gè)月提高到了30個(gè)月，目前仍然在正常生產(chǎn)，說明該工藝技術(shù)對(duì)于高含水老油田穩(wěn)產(chǎn)、低產(chǎn)井長(zhǎng)期持續(xù)生產(chǎn)具有較好效果。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了旁通閥液力反饋抽油泵，解決了大斜度稠油井檢泵周期短、系統(tǒng)效率低的問題。該工藝技術(shù)為油田開發(fā)后期井況較復(fù)雜的低產(chǎn)井采油提供了新的思路。

圖4 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線

2) 該泵通過損失排量達(dá)到為管柱下行提供動(dòng)力的目的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，能夠提高泵充滿程度，同時(shí)減小桿柱交變載荷，對(duì)復(fù)雜井況適應(yīng)性較強(qiáng)。

3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，對(duì)于大斜度井、稠油井等復(fù)雜井況，通過優(yōu)化舉升工藝系統(tǒng)，保證配套措施的全面性和完整性，是舉升系統(tǒng)長(zhǎng)期高效安全運(yùn)行的關(guān)鍵。